光電陰極與光電倍增管

關于光電陰極與光電倍增管第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日與普通二極管相比共同點：一個PN結，單向?qū)щ娦圆煌c：（1）受光面大，PN結面積更大，PN結深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護層（3）外加反偏置與光電池相比共同點：均為PN結，利用光伏效應，SiO2保護膜不同點：（1）結面積比光電池的小，頻率特性好;（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小;（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.光電三極管的電流關系及電連接方法根據(jù)共發(fā)射極電流關系有：Ib＝IpIc=Ie=

（1+β）Ib=

（1+β）Ip=（1+β）E·SE第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日4.象限探測器5.PIN光電二極管由于I層比PN結寬的多，光生電流增大;由于耗盡層變寬，結電容變??；提高響應速度；由于I層電阻率很高，故能承受的電壓增大;第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日OxA6.PSD位置傳感器7雪崩光電二極管；第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日第3章

光電陰極與光電倍增管第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容：3.1陰極與陰極電子學3.2外光電效應3.2光電陰極2.3光電管和光電倍增管第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日陰極（Cathode）電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）陰極電子學研究：

1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過程

2）粒子固體表面相互作用的物理過程3.1陰極與陰極電子學第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日

從能帶理論淺談電子發(fā)射

【思考】如何使體內(nèi)電子逸出？第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第一種方式第二種方式使體內(nèi)電子逸出的方法：1）增加電子能量2）削弱阻礙電子逸出的力第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）金屬半導體E

Φ=E0-EF第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日陰極發(fā)射電子（第一種方式）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）半導體光電子主要發(fā)射分三類：本征發(fā)射：價帶電子導帶電子hν>EC-EV雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子導帶電子hν>ΔEg自由載流子發(fā)射：自由載流子導帶電子忽略不計半導體光電子主要發(fā)射分三步：對光子的吸收電子向表面運動克服表面勢壘而逸出第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）（3）次級電子發(fā)射（次級電子發(fā)射體）

初始能量電子轟擊物體體內(nèi)電子獲得能量逸出第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.降低阻礙電子逸出的力（4）場致發(fā)射（場發(fā)射陰極）

固體表面施加強電場削弱勢壘體內(nèi)部分電子通過隧道效應進入真空量子隧穿示意圖IIIIII陰極發(fā)射電子（第二種方式）第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日CRT

（CathodeRayTube）

和FED（

FieldEmissionDisplay）陰極的應用舉例陰極射線管（CRT）第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日CRT（CathodeRayTube）

和FED（

FieldEmissionDisplay）索尼2010被視為繼液晶、等離子、OLED之后的第四大平板顯示技術場致發(fā)射顯示器（FED）第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日MoSiO2GlassMoSi場發(fā)射陣列制作過程第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎。

3.2外光電效應第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日當照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比：

Ik：光電流Φe：光強Se：該陰極對入射光線的靈敏度

光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日

光電發(fā)射第二定律——愛因斯坦定律

光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入、

射光強度無關：

Emax：光電子的最大初動能。h：普朗克常數(shù)。ν0：產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。W：金屬電子的逸出功（從材料表面逸出時所需的

最低能量），單位eV，與材料有關的常數(shù)，

也稱功函數(shù)。Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日入射光子的能量至少要等于逸出功時，才能發(fā)生光電發(fā)射。波長閾值：

hν>W

hc/λ>Wλ<hc/W=1.24/A

λ<=1.24/W(μm)當入射光波長大于λ時，不論光強如何，以及照射時間多長，都不會有光電子產(chǎn)生。要用紅外光（λ>0.76μm）發(fā)射電子，必須尋求低于（？）的低能閾值材料。1.63eV第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日圖光電子最大動能與入射光頻率的關系νν0Wmax0(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W為什么會彎曲？第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.3光電陰極

能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極。什么是光電陰極？陰極第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日常用的光電陰極材料反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應：可見光和近紅外波段。金屬：半導體：常規(guī)光電陰極負電子親和勢陰極

半導體材料廣泛用作光電陰極第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度靈敏度色溫2856K的鎢絲燈(1)光照靈敏度

在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。

它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。(2)色光靈敏度

一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。實際上是局部波長范圍的積分靈敏度QB:中國青色或蘭色玻璃(德國:BG)HB:中國紅色玻璃第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

2.量子效率

陰極發(fā)射的光電子數(shù)

Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比，稱為量子效率:根據(jù)定義:量子效率和光譜靈敏度之間的關系為:式中,λ單位為nm；

S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。

波長一定的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。(3)光譜靈敏度第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日

光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當于l0-16

～10-17A/cm2的電流密度3.光譜響應曲線

光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關系曲線，稱為光譜響應曲線。4.暗電流S(λ)λ/nm為什么會有峰值？第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電陰極一般分為:透射型與反射型兩種。

不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極(二).光電陰極的分類

透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極。光陽極A陰極K光透射型反射型第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日(三).常用光電陰極材料透射型光譜響應:300nm到1200nm，反射型光譜響應:300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應用于近紅外探測?？梢姽鈪^(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%。如S-1所示。(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。350nm,800nm第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。(2)單堿銻化合物(PEA)量子效率一般高達20%～30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。如S-4。金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料，CsSb最為常用，在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應，如S-20。其紅外端可延伸到930nm，量子效率高于20%。適用于寬帶光譜測量儀.第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)(4)紫外光電陰極材料某些應用，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應。這種材料通常稱為“日盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前實用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。

長波限為0.32μm長波限為0.2μm第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)(4)紫外光電陰極材料

負電子親和勢材料制作的光電陰極與正電子親和勢材料光電陰極相比,具有以下四點特點c.熱電子發(fā)射小

a.量子效率高b.光譜響應率均勻,且光譜響應延伸到紅外

d.光電子的能量集中

(5)負電子親合能材料(NEA)第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日負電子親和勢材料結構、原理重摻雜的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過處理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光電陰極為例第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日P型Si的電子親和勢:N型Cs2O電子親和勢:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日體內(nèi)：P型表面：N型表面電子，能級Ec1入射光子體內(nèi)電子，能級Ec1表面逸出電子E0-Ec1<0體內(nèi)有效電子親和勢:

EAe=E0-EC1<02.負電子親和勢陰極第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日體內(nèi)：P型表面：N型2.負電子親和勢陰極負電子親和勢是指體內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢？？？經(jīng)典發(fā)射體的電子親和勢仍是正的？？？EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0EAe=E0-EC1<0第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日NEA的最大優(yōu)點：

－－量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多

光電發(fā)射過程分析：熱電子－－受激電子能量超過導帶底的電子冷電子－－能量恰好等于導帶底的電子NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！2.負電子親和勢陰極第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日NEA的優(yōu)點：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多

1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻2.負電子親和勢陰極

當負電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導帶底(壽命達10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導帶底的能量。第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日知識回顧1.陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日知識回顧1.陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？2.光電陰極

能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體(1)Ag-O-Cs：可見和近紅外響應,0.42%(2)單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)，20%-30%(3)多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)+紅外，20%(4)紫外光電陰極材料：日盲型，碲化銫，碘化銫C(5)負電子親合能材料(NEA)第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.作為光電陰極材料，金屬和半導體材料的優(yōu)缺點？反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應：可見光和近紅外波段。金屬：半導體：第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日知識回顧4.負電子親和勢材料，特點？第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日知識回顧4.負電子親和勢材料，特點？1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻

當負電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導帶底(壽命達10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導帶底的能量。第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容：3.1陰極與陰極電子學3.2外光電效應3.3光電陰極3.4光電管和光電倍增管第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成

PT內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，有真空型和充氣型兩種。(一).光電管(PT)

簡述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?工作原理3.4真空光電管與光電倍增管的工作原理第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日光陽極A陰極K光透射型反射型0.20.60.40.812520151050564321iP/lmi/uA20151050501001502002500.150.10.050(lm)i(uA)u/V(一).光電管分類：反射型和透射型充氣型真空型第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

光電倍增管是在光電管的基礎上研制出來的一種真空光電器件，在結構上增加了電子光學系統(tǒng)和電子倍系統(tǒng)，因此極大的提高了檢測靈敏度。

光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要部分組成。(二).光電倍增管(PMT)1．光電倍增管的結構第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。

最基本的方法是在陰極和陽極之間加上適當?shù)母邏?，陰極接負，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓:2.PMT的工作原理④經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負載RL上產(chǎn)生信號電壓Ｕ0。①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上②光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子③光電子被電子光學系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增后，光電子數(shù)就放大N次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日端窗式側窗式(1).入射窗口

側窗型（side－on）:

從側面接收入射光。使用不透明光陰極（反射式光陰極），數(shù)百元一只。端窗型（head－on）：從頂部接收入射光。入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），數(shù)千元一只。a.窗口形式

第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日b.常用的窗口材料

硼硅玻璃:透射范圍從300nm到HW

透紫外玻璃優(yōu)點:紫外短波透射截止波長可延伸到250nm

熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點:在遠紫外區(qū)有相當好的透過率，短波截止波長可達到160nm

藍寶石(Al2O3晶體)特點是:紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長可以達到150nm。

PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍寶石無毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上。(2).電子光學系統(tǒng)

電子光學系統(tǒng):陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間.包括:光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。

電子光學系統(tǒng)的主要作用有兩點

2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應。第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日(3)．電子倍增極

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成的，具有使一次電子倍增的能力。

當具有足夠動能的電子轟擊倍增極材料時，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電子為一次電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子

(a)二次電子發(fā)射原理

把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)

什么是一次和二次電子？增大Ep，δ值反而下降δ隨Ep增大而增大第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日3)到達界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。二次電子發(fā)射過程三個階段2)內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動1)

材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些受激電子稱為內(nèi)二次電子；第五十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。

(3)倍增極結構

聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的倍增極結構形式:鼠籠式結構特點：瓦片，沿圓周排列性能特點：聚焦性能好，增益高第五十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組